特载车通过预制小箱梁时结构设计分析

蔡亮

（中铁上海设计院集团有限公司 江苏南京 210009）

1 引言

宣城市±1100kV古泉换流站工程是国家电网公司贯彻中央新疆工作座谈会精神、落实国家西电东送战略的重点工程。该工程位于宣城市宣州区古泉镇西偏南8km的姚贷崔村附近，东距沪渝高速7km，南距铜宣高速3km。根据换流变压器运输参数和公路运输条件，需采用3纵列18轴线液压平板车装载运输大件设备。工程建设需要安装换流变压器等大件设备，国家电网公司对大件设备运输通道进行了专题设计。

根据本工程大件设备运输通道总体走向，设备沿途运输需经过皖赣铁路K49+325处大山头桥，此桥位于老S322省道，上部采用3跨16m预应力混凝土T梁上跨皖赣铁路，目前已被评定为危桥，不能满足大件设备运输荷载等级要求。本次工程拟在老桥北侧新建（20+25+20）m小箱梁上跨皖赣铁路以满足大件设备运输要求，新桥建成通车后拆除原有老桥。

本文以一辆特载车通过预应力混凝土箱梁桥为背景，为保证大件荷载通过桥梁的安全性，采用桥梁专用有限元软件“midas civil 2015”按规范[1]相关要求进行结构验算，主要内容包括：①上部预制箱梁结构持久状况承载能力极限状态及正常使用极限状态；②下部盖梁、墩柱持久状况承载能力极限状态及正常使用极限状态；③桩基持久状态承载能力极限状态。

2 项目概况

宣城市老S322省道上跨皖赣铁路原有大山头桥一座，老桥上部结构采用（3×16m）预应力混凝土T梁，老桥使用状况较差，桥面铺装、护栏、伸缩缝均有不同程度损坏，T梁梁底及横隔板部分开裂。老桥现状限速20km/h，限载15t。根据业主要求，现状桥梁对铁路行车安全构成极大安全隐患，需尽早对桥进行整治，消除安全隐患。本次项目待新建上跨皖赣铁路桥通车后对既有老桥进行拆除。

新建上跨皖赣铁路中桥采用简支组合箱梁，桥梁按斜15°布置，桥梁全宽15m，湿接缝宽度39.8cm。桥梁上部结构采用（20+25+20）m装配式预应力混凝土箱形简支梁，桥面连续，全桥共一联，全长72.20m。桥面由下至上为10cm厚C50现浇混凝土、防水涂层、10cm沥青混凝土铺装。0号桥台、3号桥台设D60伸缩缝，全桥均设盆式橡胶支座。桥梁下部结构采用桩柱式墩、台，墩、台盖梁高分别为1.7m、1.4m，1.4m柱、1.5m钻孔灌注桩基础，均按嵌岩桩设计（见图1、图2）。

图1 桥型布置图

本项目建设目的主要用于满足大件设备运输条件，大件设备净宽5.2m，净高按≥7.3m控制。大件设备由两辆重车牵引。设备单轴重37.82t，每轴轮胎12只，总共18个轴，总重680.7t，荷载等级远高于现阶段常用的公路-Ⅰ级荷载。

图2 桥梁横断面图

3 结构验算

3.1 验算模型

采用桥梁专用有限元分析软件midas civil 2015分别建立上部25m（边跨20m计算方法同）单梁模型、下部盖梁墩柱模型进行验算；桩基按照规范[4]进行验算。

“枫桥经验”发源于20世纪60年代绍兴枫桥的“社教运动”，主要内容是发动和依靠群众，坚持矛盾不上交，就地解决，实现捕人少，治安好。50年来，“枫桥经验”不断寻求自身突破与理念升华，成为有效化解社会矛盾的好经验、社会治安综合治理的好典型、新时期社会管理创新的好样板。“枫桥经验”作为一种独特的地方治理模式探索，在一定意义上，已成为一种活的、具有本土性质的法治实践。从法治的视角看，“枫桥经验”与时俱进的发展，呈现出四种转变：

荷载取值情况如下：

（1）恒载。混凝土：重力密度γ=25.0kN/m3，沥青混凝土：重力密度γ=24.0kN/m3。对单片中梁，考虑人行道及护栏荷载横向分布系数取0.13，综合桥面铺装荷载，二期恒载均布合计7.8kN/m；湿接缝取1.7kN/m；两侧端横梁、跨中三处横隔板以集中力形式分别取7.6kN、2.4kN。

（2）移动荷载。特载车按实际重载车轴重及轴距取值；满足1.3倍公路-I级[1]荷载要求。

（3）混凝土收缩、徐变：按规范[2]取值计算。

（4）竖向梯度温度效应：按规范[1]第4.3.12条取用。

（5）最不利板梁4#～7#荷载横向分布系数取值：0.16。

荷载组合及系数取值：本项目为三级公路，由于公路桥涵通用规范[1]无相应超载车辆系数取值，本次大件荷载系数取值应结合城市桥梁规范[3]。采用桥规[1]4.1.5的基本组合，但特种荷载效应的分项系数取1.1，恒载效应的分项系数取1.2，结构重要系数取1.0。按持久状况正常使用极限状态验算时，荷载效应组合采用标准组合，即各项荷载效应分项系数取1.0。

3.2 梁体验算

3.2.1 施工阶段法向应力验算（短暂状况构件应力验算）

表1 施工阶段法向压应力验算包络表

3.2.2 使用阶段正截面抗弯承载能力验算 （持久状况承载能力极限状态验算）

各截面的弯矩设计值见图3，截面跨中最大弯矩值为6607.8kN·m，小于构件抗弯承载能力设计值8643.9kN·m。

图3 使用阶段正截面抗弯承载能力包络图

3.2.3 使用阶段斜截面抗剪承载能力验算 （持久状况承载能力极限状态验算）

各截面的剪力设计值见图4，截面最大剪力值为1121.6kN，小于构件抗剪承载能力设计值2749.1kN。

图4 斜截面抗剪承载能力验算包络图

3.2.4 使用阶段正截面抗裂验算（持久状况正常使用极限状态验算）

在作用（荷载）短期效应组合、长期效应组合下，边缘最小应力见表2。

表2 使用阶段正截面抗裂验算包络表

3.2.5 使用阶段斜截面抗裂验算（持久状况正常使用极限状态验算）

在作用（荷载）短期效应组合下，斜截面边缘最小应力。验算得斜截面抗裂最大主拉应力为-0.012MPa。

3.2.6 使用阶段正截面压应力、斜截面主压应力验算（持久状况构件应力验算）

正截面最大压应力、斜截面主压应力。应力验算：正截面压应力15.946MPa，斜截面主压应力15.946MPa。

3.2.7 挠度验算（持久状况正常使用极限状态验算）

短期荷载组合位移消除自重产生的位移并乘以挠度长期增长系数1.425（C50），最大挠度值 19.1mm。

3.3 盖梁验算

3.3.1 使用阶段正截面抗弯承载能力验算

荷载组合下最大负弯矩值为1578.2kN·m，位于边支点；最大正弯矩为2176.6kN·m，位于边支点与中支点之间。盖梁支点抗弯承载能力5770.1kN·m，边支点与中支点之间最大正弯矩抗弯承载能力为3539.1kN·m。盖梁正截面抗弯承载力满足要求。

3.3.2 使用阶段斜截面抗剪承载能力验算

荷载组合下盖梁最大剪力为8940.3kN，最大剪力位置对应抗剪能力为9911.6kN，盖梁斜截面抗剪承载能力满足规范要求。

3.3.3 裂缝宽度验算

标准组合下盖梁最大裂缝宽度为0.133mm，位于边支点与中支点之间，规范[3]容许超载车辆过桥最大裂缝宽度为0.25mm，裂缝宽度验算满足规范要求。

3.4 桩基单桩承载力验算

桥墩桩基桩顶最大反力为8543.2kN，由于项目区域地质较好，持力层为中风化砂岩，桩基侧摩阻力标准值120kPa，地基承载力基本容许值800kPa，岩石饱和单轴抗压强度标准值为15MPa，桩基可按嵌岩桩设计，持力层深度只需满足嵌岩要求即可。经验算桩基竖向承载力满足规范要求。

4 结论

（1）为确保特载车能安全过桥，在加强桥梁结构设计基础上，同时应保证特载车按规定路线行驶且速度不应大于5km/h，确保桥梁结构安全。

（2）本次设计难点主要体现在“防止单梁过度受力”。本次在加强单梁结构设计基础上，通过设置合理间距的横隔板、在简支箱梁两侧设置端横梁等措施以确保梁体间紧密联系及共同受力，并加大箱梁顶板和湿接缝厚度以确保结构安全。

（3）本工程采用简支梁结构造价最省、施工最短，不仅满足道路功能，而且施工期间对铁路运营影响最小，达到最初设计的目的。

[1]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）.

[2]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）.

[3]《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）.

[4]《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）.